Confinement du sulfate dans le lixiviat sous forme de formation minérale de gypse (CaSO4·2H2O) en bio

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 10938 (2023) Citer cet article

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La précipitation de carbonate induite par voie enzymatique (EICP) utilisant l'hydrolyse de l'urée est un processus de bio-cimentation bien connu qui favorise non seulement la précipitation du carbonate de calcium (CaCO3), mais peut également fournir un excès de cations de calcium pour une réaction ultérieure en fonction des constituants du substrat et de l'étape de réaction. Cette étude présente la recette de l'EICP pour contenir suffisamment les ions sulfate dans le lixiviat de décharge en utilisant les cations calcium restants et une série de tests ont été menés pour valider sa capacité à retenir les sulfates. La vitesse de réaction pour 1 M de CaCl2 et 1,5 M d'urée a été identifiée en contrôlant la teneur en uréase purifiée et le temps de durcissement du processus EICP. Les résultats ont montré que 0,3 g/L d'uréase purifiée produisait 46 % de CaCO3 et réduisait les ions sulfate de 77 % après 3 jours de durcissement. La rigidité au cisaillement dans le sable traité avec l'EICP a été augmentée 13 fois par la précipitation du CaCO3, suivie d'un incrément de 1,12 fois en raison de la précipitation ultérieure des cristaux de gypse (CaSO4·2H2O), impliquant le confinement du sulfate. Un traitement EICP rentable utilisant de l'uréase brute de soja au lieu de l'uréase purifiée de qualité laboratoire a montré une efficacité d'élimination des sulfates inférieure (c.-à-d. 18 %) avec seulement une formation nominale de gypse dans le sable traité par EICP. L'ajout de poudre de gypse s'est avéré efficace pour augmenter l'élimination des sulfates de 40 % lorsque l'uréase brute de soja était utilisée pour l'EICP.

La mise en décharge reste l'une des stratégies les plus populaires pour l'élimination des déchets solides municipaux (DMS), rendue attrayante par les coûts relativement faibles de construction et d'entretien1,2,3. Malgré ces avantages, la mise en décharge entraîne intrinsèquement des problèmes environnementaux lors de son exploitation ; des lixiviats contenant des composés organiques dissous, des métaux lourds, des composés organiques xénobiotiques et des macro-composants inorganiques sont générés en permanence et l'infiltration de ces sous-produits contamine le sol et les eaux souterraines4. En particulier, le sulfate (\({\text{SO}}_{4}^{2 - }\)), un composant majeur du lixiviat des décharges MSW, est présent de manière persistante à des concentrations élevées (250 à 1 000 mg/L)5. dans le monde (tableau 1), ce qui peut nuire au cycle naturel du soufre et à la santé humaine6,7.

Pour l'élimination de \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) dans le lixiviat de décharge, plusieurs méthodes ont été signalées. La coagulation et la précipitation de \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) en fournissant des cations métalliques tels que des ions ferriques, aluminium et calcium, ou de la chaux (CaO) peuvent réduire la concentration de \({ \text{SO}}_{4}^{2 - }\) de manière significative8,9,10,11. Cependant, ceux-ci peuvent affecter le milieu ambiant en augmentant la concentration locale d'ions spécifiques dans le liquide et nécessiter l'ajustement du pH avec élimination des boues volumineuses générées9,12,13. L'électrocoagulation utilisant des électrodes d'aluminium a montré une capacité d'élimination élevée \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) allant jusqu'à 95 %14 avec des inconvénients tels qu'une consommation d'énergie élevée due à la formation d'un film d'oxyde15.

Les revêtements de décharge traditionnels comprennent des revêtements d'argile compactée, conçus pour minimiser l'infiltration de lixiviat dans les eaux souterraines, tendant à adsorber les ions \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) par échange et rétention de ligands. dans la double couche diffuse16,17. Cependant, des études antérieures ont montré qu'une quantité négligeable de \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) était adsorbée par les minéraux argileux, ce qui implique qu'il est nécessaire de développer de nouveaux revêtements de décharge pour MSW. qui contiennent efficacement \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\)16,18.

Les techniques d'amélioration des sols d'origine biologique ont récemment suscité un intérêt croissant pour modifier les propriétés hydrophysiques des systèmes pédologiques par la formation de biominéraux19,20,21,22,23, de biogaz24,25,26,27, de biofilm28,29,30 ou de biopolymère31. ,32,33. Ces processus biologiques ont entraîné une amélioration de la résistance au cisaillement19,20,22, un contrôle de la perméabilité31,34,35 et une atténuation du potentiel de liquéfaction du sol25,27,36. Parmi eux, la bio-cimentation représentant des particules liantes via la précipitation du carbonate de calcium (CaCO3) peut être appliquée pour la stabilisation des pentes37, la suppression de la poussière pour le contrôle de l'érosion éolienne38,39,40, la cicatrisation des fissures du béton41,42 et l'immobilisation des métaux lourds43. En outre, certaines études récentes se concentrent sur la capture et le stockage du dioxyde de carbone (CO2) par des bactéries spécifiques, entraînant la minéralisation du CaCO3 avec des ions calcium44,45 et la réduction des sous-produits toxiques de l'hydrolyse de l'urée par précipitation chimique avec des ions magnésium et biphosphate46. La recherche sur la bio-cimentation s'est principalement concentrée sur la formation de CaCO3 comme alternative pour résoudre les problèmes environnementaux, et une autre approche liée à l'utilisation des ions calcium dans la solution de cimentation n'a pratiquement pas été étudiée.